Recherche de la désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon et optimisation de la résolution en temps du calorimètre électromagnétique de CMS

Search for the Higgs boson decay into a Z boson and a photon and optimization of the time resolution of the CMS electromagnetic calorimeter

• Auteur / Autrice : Francesco Orlandi
• Direction : Federico Ferri, Gautier HAMEL de MONCHENAULT
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de Physique des Particules
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Lhc

Calorimétrie

Higgs boson

Cms

Cms

Higgs boson

Calorimetry

Lhc

Résumé

Une des meilleures thèse qu'on peut faire aujourd'hui : physique du boson de Higgs à travers une de ses désintégrations les plus rares et pas encore observées, processus du modèle standard à leur optimum pour le comprendre pleinement, et une partie détecteur complètement liée au sujet de physique et à l'amélioration du détecteur CMS pour la phase à haute luminosité du LHC. Dans la recherche de compréhension de notre univers, le modèle standard de la physique des particules semble plutôt une approximation à basse énergie d'une théorie plus complète. La découverte du boson de Higgs a rajouté une pièce au puzzle, mais plusieurs questions restent ouvertes (naturalitée, nombre de générations de leptons, asymétrie matière-antimatière dans l'univers, etc.). Une caractérisation précise du boson de Higgs à travers tous ses canaux de désintégration peut améliorer notre compréhension du puzzle. Cette thèse propose une recherche de la désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon (Zgamma). Presque aussi rare que la désintégration en deux photons, elle est plus difficile à observer à cause de la fraction d'embranchement du boson Z en particules de l'état final : électrons et muons (mais aussi neutrinos et d'autres états finals peuvent probablement être exploités avec un certain succès). La désintégration Zgamma n'a pas encore été observée -limites sur sa probabilité ont été mis- mais une évidence pourrait être trouvée en utilisant l'ensemble des données fournies par le Run2 du LHC (2015-2018) et par celles du Run3, qui vient de démarrer et devrait doubler les données du Run2 avant 2025. La désintégration Zgamma est liée à d'autres désintégration du boson de Higgs, qui peuvent aider à la contraindre : la directe en deux muons plus un photon additionnel irradié dans l'état final, celle en deux bosons Z, celles de type Dalits en électrons et muons. La production du modèle standard de bosons Z et couple de bosons vecteurs comme ZZ, ZW, WW, peut dissimuler un état final Zgamma et doit être considéré dans l'analyse : la recherche pour la désintégration Zgamma implique comprendre différents procès fondamentaux du SM et désintégrations du boson de Higgs. La thèse consiste aussi d'une partie expérimentale pour optimiser la résolution en temps du calorimètre électromagnétique de CMS (ECAL). Bien que conçu pour des mesures de précision en énergie, le ECAL a aussi une excellente résolution sur le temps d'arrivée des photons (environ 150 ps en collisions, mais 70 ps ont été atteint en faisceau test). Dans un environnement peuplé par photon d'évènements superposés (pileup), le temps d'arrivée d'un photon de l'était final peut aider à en contraindre la provenance du même vertex de désintégration du boson de Higgs, c'est à dire celui aussi des produits de désintégration du Z. Cette péculiarité sera une clef pour la phase à haute luminosité du LHC (2029-) quand l'électronique du ECAL sera mise à jour pour offrir une résolution en temps encore meilleure (30 ps pour photons et électrons de haute énergie) et la luminosité du LHC -et le nombre d'évènements superposé et photon dans l'état final- sera un facteur 5 plus grande qu'aujourd'hui. La thèse propose aussi de participer au CERN à shifts en CMS/ECAL et à tests de laboratoire prévus pour la nouvelle électronique d'ECAL qui vient d'être développée.

One of the coolest thesis you may do today: Higgs boson physics through one of its rarest and not yet observed decays, standard model processes at their best to fully understand it, and a detector part completely related to it and to the CMS detector upgrades for the High-Luminosity phase of the LHC. In the quest for understanding our universe, the standard model of particle physics is believed to be a low-energy approximation of a more comprehensive theory. The discovery of the Higgs boson has inserted a new tile in the puzzle, but many questions remains open (naturalness, numbers of lepton generations, asymmetry matter-antimatter, etc.). A precise characterization of the Higgs boson through all of its decays can improve our comprehension of the puzzle. This thesis proposes a search for the Higgs boson decay into a Z boson and a photon (Zgamma). Almost as rare as the golden decay into two photons, it is harder to observe because of the additional branching fractions of the Z bosons into final state particles: electrons and muons (but also neutrinos and other final states can possibly be exploited to some extent). The decay has not been observed yet -limits on its likelihood have been set so far- but some evidence of it might be found if exploiting the full dataset provided by the Run2 of the LHC (2015-2018) and by the just started Run3, expected to almost double the Run2 dataset by 2025. The Zgamma decay is related to and can be constrained by other Higgs boson decays: the direct one into two muons plus an additional photon radiated in the final-state, the one into two Z bosons, Dalitz decays in electrons and muons. The standard model production of Z bosons and pairs of vector bosons such as ZZ, ZW, WW can dissimulate a final state as the Zgamma decay and have to be considered in the analysis: searching for the Zgamma decays implies playing with and understanding numerous fundamental SM processes and Higgs boson decays. The thesis also consists of an experimental part to optimize the time resolution of the electromagnetic calorimeter of CMS (ECAL). While designed for high precision energy measurements, the ECAL also provides an excellent resolution on the arrival time of the photons (about 150 ps in collision events, but 70 ps have been achieved in test beams). In an environment populated by photons from overlapping events (pileup), the arrival time of a final-state photon can help constraining its provenance to be the same vertex of the Higgs boson decay, i.e. the one of the Z decay products. This feature will be a key for the High-Luminosity LHC phase (2029-) when the ECAL electronics will be upgraded to offer even better time resolution (30 ps for high energy electrons and photons) and the luminosity of the LHC -and the number of overlapping events and photons in the final state- will be a factor of 5 higher than today. The thesis also proposes the participation at CERN to CMS/ECAL shifts and to laboratory tests foreseen for the newly developed ECAL electronics.